Exploración de datos y visualización en R

Sesión III - Práctico

1 Introducción

En el siguiente práctico aplicaremos las técnicas y conceptos que hemos desarrollado en las sesiones I y II teórico-prácticas del taller de visualización y análisis en R, aplicados a estádistica. Para este práctico utilizaremos el set de datos para el análisis de ataque cardíaco llamado heart. El set de datos contiene información sobre 303 pacientes -hombres (207) y mujeres (96)- entre 29 y 77 años, junto a análisis fisiologicos orientados al diagnóstico y estudio de un ataque cardíaco. Realizaremos un análisis exploratorio de datos o EDA para generar preguntas y obtener algunas conclusiones desde nuestro set de datos. Con esa finalidad, al igual que en la sesión II, dividiremos el análisis en dos, según si las estrategias para la visualización y análisis se encuentran más orientadas en la estadística descriptiva (comprender nuestro set de datos) o en la inferencia estadística (testear hipótesis).

2 Análisis exploratorio de datos o EDA

¿Qué es un análisis exploratorio de datos?

Recordemos en que consiste un análisis exploratorio de datos. El análisis exploratorio de datos o “EDA” (por sus siglas en inglés Exploratory Data Analysis), es como se conoce -en estadística- el proceso por el cual un investigador inspecciona un set de datos con la finalidad de generar preguntas, procesar y adquirir conocimiento (procesa datos, genera resultados), y refina o genera nuevas preguntas.

¿Cúal es el proceso iterativo?

  1. Generar preguntas basandose en los datos.
  2. Obtener resultados (procesa datos, gráficos, modelos, etc.).
  3. Refinar preguntas y/o generar nuevas preguntas.

Consideraciones durante el EDA

Recordemos que si bien el nombre puede generar la impresión de un proceso estandarizado, en la práctica no hay reglas que limiten los análisis o técnicas utilizadas para generar el proceso iterativo. Sin embargo, existen análisis que se vuelven recurrentes durante el proceso.

“Far better an approximate answer to the right question, which is often vague, than an exact answer to the wrong question, which can always be made precise.”

John Tukey

2.1 Requisitos de nuestro análisis

Acá podrás encontrar todas las librerías que utilizaremos en nuestro análisis. Recuerda que es necesario que se encuentren instaladas en tú sesión de R y que al comenzar el análsis le digas a R que tiene que cargar esas librerías en la memoría y así permitir el uso de sus funciones.

2.2 El set de datos heart

Como mencionamos anteriormente en nuestra sesión III utilizaremos el set de datos para el análisis de ataque cardíaco llamado heart. En este set encontraremos información sobre 303 pacientes -hombres (207) y mujeres (96)- con edades entre los 29 y 77 años. Sin embargo, el set de datos heart también cuenta con información asociada a cada paciente, como el dolor de angina un tipo de dolor de pecho ocasionado por una disminución de la irrigación sanguínea al corazón. Además del tipo de angina, tendremos que investigar como otras variables contenidas en el set de datos pueden ser utilizadas para estudio de un ataque cardíaco. A continuación se describe como cargar el set de datos en tú sesión de R y una descripción de la información contenida en el set de datos heart.

2.2.1 Cargar el set de datos

A continuación podrán descargar el set de datos heart en dos formatos -csv comma-separated values y/o rds R data serialized-. El formato csv es un formato de texto plano donde los datos se encuentran separados en columnas mediante comas “,”, mientras que el formato rds es propio de R y tiene las ventajas de a) estar comprímido (“gzip”) y b) tener mayor compatibilidad, lo que permitirá realizar el práctico independiente del sistema operativo en su computador o su configuración local.


¿Cómo cargar los datos en mi sesión de R?

Opción A) Si descargas el “heart.csv” la función que debes ocupar es la siguiente:

Opción B) Si descargas el “heart.rds” la función que debes ocupar es la siguiente:

2.2.2 Información sobre el set de datos

  • age : Edad del paciente
  • sex : Sexo del paciente (Mujer; Hombre)
  • cp : Tipo de dolor de pecho (angina)
    • Value 0: asintomático
    • Value 1: angina típica
    • Value 2: angina atípica
    • Value 3: dolor no anginoso
  • trtbps : Presión arterial en reposo (en mm Hg al ingreso en el hospital)
  • chol : Colesterol en mg/dl obtenido a través del sensor de IMC
  • fbs : (azúcar en sangre en ayunas >120 mg/dl) (1 = true; 0 = false)
  • restecg : Resultados electrocardiográficos en reposo.
    • Value 0: Normal
    • Value 1: Anomalía de la onda ST-T (inversiones de la onda T y / o elevación o depresión del ST de> 0,05 mV)
    • Value 2: Muestra hipertrofia ventricular izquierda probable o definitiva según los criterios de Estes.
  • thalach : Frecuencia cardíaca máxima alcanzada.
  • exng : Angina inducida por ejercicio (1 = si; 0 = no).
  • oldpeak : Depresión del ST inducida por el ejercicio en relación con el reposo.
  • slp : Pendiente del segmento ST de ejercicio máximo.
    • Value 0: descendente
    • Value 1: plano
    • Value 2: ascendente
  • caa : Número de vasos principales (0-4) coloreados por fluoroscopia.
  • thall: Frecuencia cardíaca ritmo.
    • Value 1: defecto fijo
    • Value 2: normal
    • Value 3: defecto reversible
  • output : 0 = menos probabilidad de ataque cardíaco. 1 = más probabilidad de ataque cardíaco

Sobre la base de las variables contenidas en el set de datos heart, ya podríamos dirigir el análisis hacia aquellas variables que son intuitivamente más relevante en el diagnóstico de un ataque al corazón. Podríamos generar algunas de las siguientes preguntas:

  1. ¿Cuáles son las variables más importantes de nuestro análisis?
  2. ¿Cómo se relaciona la edad (age) del paciente con un ataque al corazón?
  3. ¿Cómo se relaciona el sexo (sex) del paciente con un ataque al corazón?
  4. ¿Cómo se relaciona el colesterol (chol) del paciente con un ataque al corazón?
  5. ¿Cómo se relaciona la presión arterial en reposo (trtbps) o la frecuencia cardíaca máxima alcanzada (thalach) del paciente con un ataque al corazón?

3 Estadística descriptiva

3.1 Tablas de resumen

Pero antes de resolver estas preguntas, lo primero que haremos será realizar un pequeño análisis descriptivo de los valores contenidos en las variables continuas del set de datos heart. Las variables serán seleccionadas con la función select(...).

      age            trtbps           chol            fbs        
 Min.   :29.00   Min.   : 94.0   Min.   :126.0   Min.   :0.0000  
 1st Qu.:47.50   1st Qu.:120.0   1st Qu.:211.0   1st Qu.:0.0000  
 Median :55.00   Median :130.0   Median :240.0   Median :0.0000  
 Mean   :54.37   Mean   :131.6   Mean   :246.3   Mean   :0.1485  
 3rd Qu.:61.00   3rd Qu.:140.0   3rd Qu.:274.5   3rd Qu.:0.0000  
 Max.   :77.00   Max.   :200.0   Max.   :564.0   Max.   :1.0000  
    thalachh        oldpeak          caa        
 Min.   : 71.0   Min.   :0.00   Min.   :0.0000  
 1st Qu.:133.5   1st Qu.:0.00   1st Qu.:0.0000  
 Median :153.0   Median :0.80   Median :0.0000  
 Mean   :149.6   Mean   :1.04   Mean   :0.7294  
 3rd Qu.:166.0   3rd Qu.:1.60   3rd Qu.:1.0000  
 Max.   :202.0   Max.   :6.20   Max.   :4.0000


A continuación usaremos las funciones del paquete {gtsummary} para generar una tabla descriptiva con mayor detalle. Para facilitar la interpretación de los datos, los nombres de las variables serán modificadas en la tabla con la opción label = list(...).

Characteristic Hombre, N = 207 Mujer, N = 96
Edad del paciente
Mean (SD) 54 (9) 56 (9)
IQR 47 - 60 50 - 63
Range 29 - 77 34 - 76
Presión arterial en reposo (en mm Hg)
Mean (SD) 131 (17) 133 (19)
IQR 120 - 140 120 - 140
Range 94 - 192 94 - 200
Colesterol en mg/dl
Mean (SD) 239 (43) 261 (65)
IQR 208 - 268 215 - 297
Range 126 - 353 141 - 564
Frecuencia cardíaca máxima alcanzada
Mean (SD) 149 (24) 151 (20)
IQR 132 - 168 141 - 165
Range 71 - 202 96 - 192
Depresión del ST
Mean (SD) 1.12 (1.17) 0.88 (1.12)
IQR 0.00 - 1.80 0.00 - 1.40
Range 0.00 - 5.60 0.00 - 6.20
Número de vasos principales (0-4)
0 111 (54%) 64 (67%)
1 50 (24%) 15 (16%)
2 25 (12%) 13 (14%)
3 16 (7.7%) 4 (4.2%)
4 5 (2.4%) 0 (0%)

3.2 Visualizando distribuciones

A continuación usaremos las funciones del paquete {ggplot2} para generar gráficos descriptivos de las variables continuas del set de datos heart.

El factor alpha=... ajusta la transparencia del color, en la función anterior el valor fue ajustado al 50% (0.5). Recordemos que el factor output (probabilidad de ataque cardíaco) corresponde a una escala discreta representada por “0” (menor) y “1” (mayor), para remplazar la leyenda hemos ocupado scale_fill_manual(label =c(...)), además hemos asignado manualmente un color a cada nivel con la opción values =c(...) en la función scale_fill_manual(...). En tanto la función labs(...) permite asignar nuevas leyendas a las variables mapeadas y a los objetos de la estética general del gráfico como el título, mientras que con la expresión \n en la leyenda podemos generar un salto de línea en el texto.

Nota


¿Cómo se relaciona la edad (age) del paciente con un ataque al corazón?

Las personas de mediana edad (40 a 60 años) tienen una mayor probabilidad de sufrir un ataque cardíaco (según la proporción y el set de datos).

Conclusiones

¿Cómo se relaciona la presión arterial en reposo (trtbps) del paciente con un ataque al corazón?

No se observa una tendencía clara de la presión arterial en reposo con la probabilidad de sufrir un ataque cardíaco (según la proporción y el set de datos).

Conclusiones

¿Cómo se relaciona el colesterol (chol) del paciente con un ataque al corazón?

Las personas con Colesterol > 200 tienen una mayor probabilidad de sufrir un ataque cardíaco (según la proporción y el set de datos).

Conclusiones

¿Cómo se relaciona la frecuencia cardíaca máxima alcanzada (thalach) del paciente con un ataque al corazón?

Las personas con una frecuencia cardíaca máxima alcanzada >150 tienen una mayor probabilidad de sufrir un ataque cardíaco (según la proporción y el set de datos).

Conclusiones

Las personas con menos vasos principales tienen muchas más probabilidades de sufrir un ataque cardíaco (según la proporción y el set de datos).

Conclusiones

3.3 Visualizando Variables Categóricas

A continuación revisaremos cómo se distribuyen las variables categóricas del set de datos heart.

En este caso es necesario generar una modificación a los valores debido a que los grupos muestran distintos tamaños lo que dificulta la interpretación de los resultados, para ello ocuparemos la opción de posición position = "fill" en la capa o objeto geom geom_bar(...). Adicionalmente, con la función scale_y_continuous(labels = scales::percent) podemos modificar la escala y cambiarla desde proporción a porcentajes, lo que facilitará la interpretación y mejora la estética del gráfico.

Nota


¿Cómo se relaciona el sexo (sex) del paciente con un ataque al corazón?

Las mujeres tienen más probabilidades de tener problemas cardíacos que los hombres (según la proporción y el set de datos).

Conclusiones

Con la función mutate(...) podemos modificar (o crear) una columna, mientras que con la función recode(...) podemos reasignar los valores dentro de una determinada columna. En este caso es necesario generar una modificación, puesto que los valores se encuentran como un código númerico, lo que dificulta la interpretación de los resultados.

Nota


Pacientes con dolor anginoso típico, atípico y no anginoso muestran una alta proporción de problemas cardíacos (según el set de datos).

Conclusiones

Con una anomalia ST-T del electrocardiográficos en reposo se observan una mayores proporción de problemas cardíacos (según el set de datos).

Conclusiones

Con angina inducida por ejercicio se observan una menor proporción de problemas cardíacos (según el set de datos).

Conclusiones

Con una pendiente del segmento ST de ejercicio máximo ascendente se observan una mayores proporción de problemas cardíacos (según el set de datos).

Conclusiones

Con la función filter(...) podemos eliminar o seleccionar los valores de interes dentro de una determinada columna. En este caso es necesario eliminar las observaciones con valor “0” en la columna “thall”, puesto que corresponden a dos pacientes sin la observación. Para realizar este filtro, le hemos indicado a la función que retenga los valores distintos a “0” escribiendo el símbolo de desigualdad !=.

Nota


En pacientes con frecuencia cardíaca (ritmo) normal se observan una mayores proporción de problemas cardíacos (según el set de datos).

Conclusiones

3.4 Visualizando Variables Agrupadas

Sobre la base de las variables contenidas en el set de datos heart, que ya hemos análisado de forma independiente, podríamos dirigir el análisis hacia aquellas interacciones entre variables que son relevante en el diagnóstico de un ataque al corazón. Podríamos generar algunas nuevas preguntas:

  1. ¿Cuáles son las variables más importantes de nuestro análisis?
  2. ¿Cómo se relaciona la edad (age) y el sexo (sex) del paciente con un ataque al corazón?
  3. ¿Cómo se relaciona el sexo (sex) y el colesterol (chol) del paciente con un ataque al corazón?
  4. ¿Cómo se relaciona el sexo (sex) y la presión arterial en reposo (trtbps) del paciente con un ataque al corazón?
  5. ¿Cómo se relaciona el sexo (sex) y la frecuencia cardíaca máxima alcanzada (thalach) del paciente con un ataque al corazón?

¿Cómo se relaciona la edad (age) y el sexo (sex) del paciente con un ataque al corazón?

En pacientes hombres y mujeres más jovenes se observan mayores problemas cardíacos (según el set de datos).

Conclusiones

¿Cómo se relaciona el sexo (sex) y el colesterol (chol) del paciente con un ataque al corazón?

En Hombres y mujeres menores valores de colesterol se observan en pacientes con problemas cardíacos (según el set de datos).

Conclusiones

¿Cómo se relaciona el sexo (sex) y la presión arterial en reposo (trtbps) del paciente con un ataque al corazón?

En pacientes mujeres con menos problemas cardíacos se observa una mayor presión arterial en reposo (en mm Hg) (según el set de datos).

Conclusiones

¿Cómo se relaciona el sexo (sex) y la frecuencia cardíaca máxima alcanzada (thalach) del paciente con un ataque al corazón?

En Hombres y mujeres una mayor frecuencia cardíaca máxima alcanzada se asocia con problemas cardíacos (según el set de datos).

Conclusiones

4 Inferencia Estadística

En base a los resultados obtenidos en la etapa anterior del análisis, la descriptión estadística de las variables contenidas en el set de datos heart, hemos observados la relación entre las principales variables del set de datos. Anteriormente, observamos que factores como la edad, sexo, colesterol, número de vasos principales, presión arterial en reposo, y frecuencia cardíaca máxima de los pacientes se asocian con un mayor riesgo de sufrir problemas cardíaco. Sin embargo, todas las asociaciónes que hemos observado carecen de un sustento estadístico que demuestre que las observaciones no corresponde a un evento aleatorio. Para asegurarnos de las validez en las interpretaciones realizadas anteriormente a continuación realizaremos algunos análisis estadísticos que nos ayuden a confirmar los resultados previos. El primer análisis consiste en una correlación entre parejas de factores.

4.1 Correlación

¿Qué es la correlación?

La correlación es una medida estadística que nos informa sobre la asociación entre dos variables. Describe cómo se comporta una variable frente a algún cambio en la variable asociada.

Interpretación

Si las variables aumentan o disminuyen juntas, entonces tendrán una correlación positiva. Si las variables son opuestas (una aumenta y la otra disminuye), entonces la correlación será negativa entre ellas. Si varían de forma independiente, la correlación entre ellos será cercana a cero.

  1. Las correlaciones son la medida de dependencia lineal entre dos variables, solo se pueden aplicar entre pares.
  2. Son sensibles al número de muestras. Si el número de muestras es pequeños (<20 ~ 30) el análisis pierde poder estadístico (óptimo ≥ 100)

    Advertencia


¿Cómo calcular la correlación entre pares?

[1] -0.2384001
Spearman: Evalúa la relación monótona. El coeficiente de correlación de Spearman se basa en los valores clasificados por ranking para cada variable en lugar de los datos brutos.

Nota


¿Cómo se relaciona la edad (age) del paciente con un ataque al corazón?

La edad se asocia de manera negativa y débil con problemas cardíacos.

Conclusiones


A continuación con la ayuda de los paquetes {corrplot} y {Hmisc} para gráficar múltiples correlaciones entre pares de factores.

Como la variable “sex” no es numérica, lo primero es convertir los niveles del factor a numéricos (0 y 1). Adicionalmente, con la opción sig.level = 0.05 en la función corrplot(...), solo se mostrarán en el gráfico aquellas correlaciones que sean significativas (p < 0.05).

Nota


Factores de frecuencia cardíaca máxima (thalachh) se asocian positivamente con una mayor probabilidad de sufrir problemas cardíacos, pero también con angina inducida por ejercicio (exng), con la depresión del ST inducida por el ejercicio (oldpeak) y la pendiente del segmento ST de ejercicio máximo (slp).

Conclusiones

4.2 Modelos lineales

¿Qué es una regresión lineal?

Una regresión lineal es un modelo (ecuación) estadístico que se usa para analizar la relación entre una variable de respuesta (comunmente llamada Y) y una o más variables y sus interacciones (comunmente llamada X o variables explicativas). La regresión lineal asume una relación lineal entre la variable de respuesta y las variables explicativas. Esto significa que puede ajustar una línea entre las dos (o más variables).

Un modelo básico es:

Y = A + B * X

Donde A corresponde al intersecto (donde empiezas a medir cuando X es cero) y B a la pendiente (el cambio de Y con respecto a X).

La idea del modelamiento es generar un modelo ajustado de la mejor forma a nustras variables, encontrando el A y B que mejor se adapten a nuestro set de datos. 


Call:
lm(formula = thalachh ~ output, data = heart)

Residuals:
    Min      1Q  Median      3Q     Max 
-68.101 -12.784   2.899  14.533  55.899 

Coefficients:
            Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)    
(Intercept)  139.101      1.771   78.55  < 2e-16 ***
output        19.365      2.400    8.07  1.7e-14 ***
---
Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

Residual standard error: 20.8 on 301 degrees of freedom
Multiple R-squared:  0.1779,    Adjusted R-squared:  0.1751 
F-statistic: 65.12 on 1 and 301 DF,  p-value: 1.697e-14

Con la funció theme(...) somo capaces de modificar factores estéticos del gráfico, en el caso anterior hemos modificado la posición original de la leyenda de color con la opción legend.position = "bottom" colocándola en la base del gráfico y no a la derecha como se ubica por defecto.

Nota

La variable de la frecuencia cardíaca máxima (thalachh) y la depresión del ST inducida por el ejercicio (oldpeak) se asocian fuertemente en los tipo de dolor de pecho (cp) “angina típica” (positivamente) y “dolor no anginoso” (negativamente) en el grupo de pacientes que si muestran angina inducida por ejercicio (exng) para el grupor con una mayor probabilidad de sufrir problemas cardíacos.

Conclusiones